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浅谈环保型气体绝缘金属封闭式开关设备

时间:2018/6/10作者:admin点击: 257

1,前言
从2014年以来,环保型气体绝缘环网柜在继固体柜之后又一个在输配电设备领域兴起的一个热门的产品。下面我就环保型金属封闭式开关设备的一些知识及国内外一些厂家的产品与大家一起分享下。希望大家也多提供资料共同把内容丰富起来。

2,研究背景

 近年来,环境问题已成为一个非常重要的社会问题,关于温室效应和气候变化是当今全球关注的焦点。1997年,在防止全球气候变暖的《京都议定》书中,SF6等6种气体被列为温室气体。据专家研究,SF6气体的温室效应为CO2气体的23900倍,排放到大气后能存在3200年。《联合国气候变化公约》和《京都议定书》对温室气体排放均有明确的限制要求和减排目标,我国作为签约国,在减少温室气体排放方面也承担着义不容辞的责任与义务,因此,国内外SF6气体的使用会受到越来越多的限制,逐步减少并最终停止使用SF6气体是国际社会的共识。从环境保护的角度,应当少用或不用SF6气体。
由于SF6优良的电气灭弧和绝缘性能,在中高压电力设备中仍被大量使用,因而,开发一种不用SF6或少用SF6气体的开关设备,成为各设备生产企业所面临的一个关键课题。世界各大生产企业及研究机构,对N2、混合气体、压缩空气、CO2等气体进行了相关研究,希望找到SF6气体的替代品,实现中压C-GIS少SF6或无SF6化。
国家发改委于2013年11月编制了《中国电网企业温室气体排放核算方法与报告指南》,各电力公司需要加强对CO2及SF6的排放控制;2014年 初,国家发改委下发《关于组织开展重点企(事)业单位温室气体排放报告工作的通知》,要求开展重点单位温室气体排放报告工作,目的是全面掌握重点单位温室 气体排放情况,为实行温室气体排放总量控制、开展碳排放权交易等相关交易提供数据支持。因此,全面的碳交易市场建立和碳税征收越来越临近。大量使用SF6气体设备的电力系统面临被征收大额碳排放税的压力。2014年12月10日,国家发改委发布了《碳排放权交易管理暂行办法》,并于发布之日起30日后施行。澳大利亚在使用SF6方面已经有了明确的税收政策,用户排放一吨SF6需交纳约60万澳元的碳排放税。《国家重点推广的低碳技术》:N2绝缘开关技术;《输变电工程通用设计、通用设备应用目录(2014版)》:采用N2或混合气体的气体绝缘开关柜;《国家电网公司新技术目录(2014版)》: 无/低SF6气体断路器技术 。

3,环保型金属封闭式开关设备的定义
目前所谓的非SF6气体绝缘的环保型环网柜分为两种方向,一种是固体绝缘环网柜,其采用固体(环氧树脂等)浇筑腔室的三工位开关+真空灭弧室、主导电母线回路等,该产品受限于本身结构问题无法称为真正的环保型环网柜,另外它还存在“假断口”受外界环境因素影响如绝缘件开裂。凝露、污秽等引起的局部放电等现象导致加速产品绝缘老化等问题。其未来发展还将受限于新材料应用及结构优化设计,还有待于市场的进一步检验。
真正意义上的环保型环网柜应该从材料选择、生产加工、废弃物的回收处理和有害物质排放、对环境影响等环节进行综合性的考虑,而不仅仅单从是否采用SF6气体方面考虑;因此真正的环保型充气柜产品需具备以下几个特征:
(1).环保型环网柜采用全封闭式结构,将全部导电部件封闭在气箱当中,既能避免外界环境因素的影响,又能提高运行可靠性,使其具备免维护(或少维护)的功能,同时还能符合体积小型化要求;以上这些要求非常适合环网柜产品的大力推广;

(2).环保型气体绝缘柜采用的是干燥空气、氮气等,这些气体的泄露对外界环境不会造成任何影响。无需进行任何回收处理;

(3).开关采用三工位(隔离+接地)+真空灭弧室,该结构是目前技术最成熟的配置方式,特别适合目前电网运行维护需求。

(4).集成配电自动化功能,随着配电网自动化建设需求,今后环保型配电产品需要具备集成自动化功能,即将一,二次完全融合无需再配置DTU等装置,将二次控制的供电电源、自动化功能、特性采集功能、通讯功能等一并集成,功能集成化、智能化也将是环保型环网柜的一个重要特征。
       环保气体——空气、空气成分中的一种或几种的组合,亦或是人工合成气体,但该气体具有良好的绝缘性能和稳定性,特别是在合成制造、投入运行、电弧作用下及最终分解过程 中均不产生任何对环境有害物质的成分。目前环保型气体绝缘金属封闭式开关设备的主要绝缘介质为三种:压缩干燥空气、氮气、氮气和少量SF6混合气体、其他 类绝缘介质四氟甲烷、二氧化碳、ABB最新研制的混合气体(不详)、阿尔斯通的G3气体等。
      环保型气体绝缘金属封闭式开关设备通常采用真空灭弧、全密封、环保气体为主绝缘、少量固体绝缘支撑件、主回路无任何包封,正常运行时为零表压或微正压(气箱的气压≦0.02MPa),并且相对地及相间的绝缘能力满足零表压下空气绝缘要求备的配电开关设备。

4,环保型金属封闭式开关设备的发展现状
开关柜的原型诞生于1890年,迄今已经有100多年历史。它的应用小到住宅小区,大到工业集中区,是电力管理的重要设备。

开关柜的发展大致经历了四个阶段,前期主要解决绝缘问题、后续考虑人身安全、之后研究小型化、最后研究环保型。


目前所谓的环保型金属封闭开关设备主要是指:固体绝缘环网柜和环保气体绝缘环网柜两大类。

(1)固体绝缘金属封闭式开关设备
固体绝缘金属封闭开关设备通常定义为“对高压导电体相间及相对地之间主绝缘介质采用固体材料的开关设备”常见的固体材料为环氧树脂、硅橡胶、聚糖酸酯、聚四氟乙烯、三元乙丙、尼龙等高分子材料。近年来固体绝缘开关设备成为国、内外中压开关领域的研发热点。最早应用的该类型产品的是日本紧跟着是欧洲。再到我国。目前国内固体厂家数不胜数,但因存在较多技术问题难点而暂时降档,未来的发展方向还有待进一步的公关。
      固体绝缘环网柜其断路器断口的绝缘与灭弧是采用真空为介质,开关内所有导电部分全部固封在固体绝缘材料当中(如环氧树脂、硅橡胶、三元乙丙胶等),相邻柜体之间通过固体绝缘母线进行连接。从而实现全绝缘、全密封和免维护的结构;解决了取代SF6气体这种温室效应气体的目的及气箱变形,漏气等问题;但显然它也存在一定的技术性问题。诸如行业内广泛认知的以下几点问题:
NO1.局放问题
固体绝缘环网柜的设计与生产主要需解决的问题是屏蔽及其接地连续性、绝缘材料表面金属化、电场优化等技术。目的是使绝缘介质外表面包覆的屏蔽层并可直接可靠接地,降低、排除使用环境对产品的影响,但目前国内现有产品很大一部分表面并未做相关处理,且局放指标不稳定。因此固体绝缘一旦发生放电,其绝缘不可恢复,局放达不到要求,绝缘老化加速寿命锐减,其绝缘能力与日巨减,放电持续增长,最终出现绝缘击穿及相间短路等故障,如表面未可靠接地对人生安全构成较大 威胁。
NO2.“假断口”问题
固体绝缘环网柜的隔离断口和接地断口一般采用干燥空气实现,其实质是将断口两端的静触座、动触座安装在同一个绝缘件上,通常这种断口在行业内称之为“假断口”当开关处于分闸状态时,动、静触座之间的绝缘性能有其空气、绝缘沿面爬距共同决定。因此其断口预击穿概率大大提高。而隔离断口的预击穿和闪络会造成主回路的停电线段带电,增加人员伤亡几率。加之绝缘老化等问题,沿面泄漏电流增加,绝缘性能下降,因此这对产品的可靠性需要进一步的认识及验证。
NO3.密封问题
目前较多厂家运行的固体柜出现的开裂等问题除开上述问题等导致的老化,其因凝露、粉尘、温差、空气中的有关化学物质、积水等外部环境都会对绝缘件表面有重大影响,从而影响其绝缘性能,因此密封问题也是需要各大厂家对柜体结构进行进一步优化和工艺改进去解决的一个重要问题。

5,环保型气体绝缘金属封闭式开关设备技术问题



NO.1绝缘问题
       由于采用环保气体目前在国内主要是压缩干燥空气、氮气这两种应用较为广泛,其绝缘性能远低于SF6气体,特别是氮气,其绝缘性能仅为SF6气体的三分之一,且灭弧、恢复能力较弱,因此需要对绝缘进行重新研究,对绝缘数据进行绝缘验证。一般最为有效、常用的方式就是进行电场优化设计,使之电场尽量均匀,并采用相关降低电场原件——金属屏蔽等。

NO2.开断问题
        对于环网柜当中的负荷开关单元,如果采用环保气体后,其开断能力会受到较大影响,目前就本人所知就ABB的SafeRing Air是采用压气式结构,其他厂家都是采用真空灭弧室来增强开断能力作为成熟的替代方案,但真空灭弧如果作为隔离断口,目前在行业内接受程度较低,因此其还需要匹配三工位隔离/接地开关,这样负荷开关单元的成本就和断路器单元相当了,利润较低。因此,研究环保气体的压气式负荷开关就有一定的必要性了,但这样同时将产生另外一个问题就是负荷开关单元不能喝断路器单元共箱等问题。
NO3.温升与散热问题


环保气体的导热性能相比于SF6气体较差,其有效手段之一是通过增加导体的有效面积,其与空气的导热性能比较如下图
通过上图不同气体相同设计其温升裕度相差较大,同样条件下的SF6与氮气或干燥空气会相差10K以上。通常解决温升的有效手段是通过对流、传导、辐射方式进行散热,因此对于结构设计将又是一大挑战。